ГАЗЫ И ЖИЗНЬ

 

 

В то время как виды на протяжении их изучения постоянно подвергались классифи­кации, наука о жизни получила новое и ис­ключительно плодотворное направление. Хи­мия вступила в свой революционный период, и химики начали применять технологии к живым организмам так же, как и к неживым системам. То, что эти понятия находят прак­тическое применение, доказала теория пище­варения.

Переработка пищи животными организма­ми — процесс, относительно открытый для исследования. Он происходит не внутри са­мих животных тканей, а в пищеварительных каналах, выходящих во внешний мир. Этот процесс проходит непосредственно через ро­товую полость. В XVII в. горячо обсуждал­ся вопрос о том, является ли пищеварение физическим процессом (как полагал Борелли), при котором желудок перемалывает пищу, или химическим, при котором желу­док изменяет ее химически посредством же­лудочных соков (как полагал Сильвиус).

Французский физиолог Репе Антуан де Реомюр (1683—1757) исследовал способы тестирования. В 1752 г. он провел экспери­мент: поместил сырое мясо в малый метал­лический цилиндр, открытый с обоих кон­цов, но с защитной металлической сеткой (мясо не могло вывалиться), и скормил ци­линдр коршуну. Через металлическую сетку мог проникать желудочный сок. Металл ци­линдра защищал мясо от любого механичес­кого воздействия. Обычно коршуны отрыги­вают любое инородное тело, оказавшееся в пищеводе, аналогичным образом поступил и подопытный коршун. При анализе мясо, на­ходившееся в цилиндре, оказалось частично разложившимся.

Реомюр не остановился на достигнутом: он скормил коршуну губку, из которой по­сле отрыгивания были выделены пропитав­шие ее желудочные соки. Их смешали с мя­сом. Мясо медленно, но разложилось под действием соков. Таким образом, спорный вопрос был прояснен. Пищеварение было объявлено процессом химическим, а значе­ние в жизни химии сильно возросло в гла­зах человечества.

В XVIII в. ван Хельмонт начал интенсив­но изучать газы. Необходимость изучения Давно назрела. Английский ботаник и химик Стивен Хейлз (1677 — 1761) стал одним из основных авторитетных исследователей в данной области. В 1727 г. он опубликовал книгу, в которой описывал эксперименты по измерению скорости роста растения, а так­же давления соков в тканях. Он стал одним из основателей физиологии растений. Он эк­спериментировал с разнообразными газами и первым выяснил, что один из них, дву­окись углерода, вносит большой вклад в пи­тание растений. В этом он дополнил точку зрения ван Хельмонта о составе тканей ра­стений.

Следующий шаг был предпринят английским химиком Джозефом Пристли (1733— 1804) почти сто лет спустя. В 1774 г. он открыл газ, названный кислородом и обнаружил экспериментально, что им приятно и легко ды­шится и что, в частности, подопытные мыши исключительно резвы, будучи помещены в кислород под колокол. Далее последовало открытие, что растения увеличивают содержа­ние кислорода в воздухе. Голландский физиолог Жан Ингенхуз (1730—1799) дополнил его открытием, что растения производят кис­лород и поглощают углекислый газ только на свету.

Величайшим химиком того прославленного века стал француз Антуан Лоран Лавуа­зье (1743 — 1794). Он подчеркивал важность точных измерений и использовал их для раз­работки теории горения, которой с тех пор пользуются в химии. По этой теории, горе­ние — это процесс химического соединения горючего материала с кислородом воздуха. Он также доказал состав воздуха: кроме кис­лорода, в него в основном входит азот — газ, не поддерживающий горения.

«Новая химия» Лавуазье положила нача­ло практическому приложению химии. Ког­да под колоколом горит свеча, потребляется кислород воздуха и возрастает содержание углекислого газа. Последнее вещество обра­зуется посредством соединения кислорода с углеродом. Как только содержание кислоро­да под колоколом падает до критически низ­кого, свеча гаснет.

Аналогична ситуация с животной жизнью. Мышь, помещенная под колпак, потребляет кислород и производит углекислый газ; пос­ледний образуется в результате соединения углерода тканей с кислородом. Поскольку содержание кислорода внутри колпака пада­ет, мышь погибает от удушья. Если оценить эту ситуацию в целом, то растения потребля­ют углекислый газ и производят кислород, а животные, наоборот, потребляют кислород и производят углекислый газ.

Таким образом, вместе растения и живот­ные поддерживают химическое равновесие, и в обозримом будущем соотношение в атмос­фере кислорода (21 %) и углекислого газа (0,03 %) останется стабильным.

Поскольку свеча и животное воздейство­вали на суммарную атмосферу под колпаком одинаково, Лавуазье резонно предположил, что дыхание является формой горения. Таким образом, когда потребляется определен­ное количество кислорода, выделяется опре­деленное количество тепла — будь то свеча или мышь. Хотя измерения были, принимая во внимание возможности того века, достаточно грубыми и приблизительными, но они подтверждали теорию.

Тем самым был нанесен мощный удар по механистическому пониманию жизни: выяс­нилось, что в живой и неживой природе идут одни и те же химические процессы. Однако тем очевиднее становилось, что живой и не­живой природой управляют одни и те же за­коны, на чем настаивали сторонники механи­стической теории.

Точка зрения Лавуазье укрепилась по мере развития физики в первой половине XIX в. В то время тепло и тепловая теория исследо­вались несколькими учеными, чей интерес был «подогрет» растущим значением парово­го генератора. Тепло можно было заставить совершать работу, с ним связаны и другие фи­зические явления: например, падение тел, те­чение воды, движение воздуха, свет, электри­чество, магнетизм и т. д. В 1807 г. английский физик Томас Янг (1773 — 1829) предложил для представления обо всех этих явлениях термин «энергия». По-гречески это слово оз­начает «работа, совершаемая изнутри».

Физики первой половины XIX в. занялись изучением того, каким образом одна форма энергии может трансформироваться в другую; производили точные измерения таких изменений. К 1840-м годам по меньшей мере трое ученых выдвинули концепцию «сохранения энергии». Это были: англичанин Джеймс Прескотт Джоуль (1818 — 1889) и немцы Юлиус Роберт фон Мейер (1814 — 1878) и Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821 — 1894). В соответствии с этой концепцией, одна форма энергии свободно переходит в другую; однако общее ее количество в процессе пере­хода нельзя ни увеличить, ни уменьшить.

Для такого общего закона, основанного на широком разнообразии точных измерений, было бы естественным базироваться как на примерах живой природы, так и неживой. Тот простой факт, что ни одно живое суще­ство не может поддерживать жизни, не чер­ная энергию из пищи, доказывал, что энер­гия не получается «из ничего». Растения не едят и не дышат аналогично животным, од­нако они черпают энергию из света.

Именно Мейер установил, что источником разных форм энергии на Земле является ради­ация и тепло Солнца; аналогично растениям, потребляющим энергию Солнца непосред­ственно, животные организмы потребляют ее же в виде пищи. Прямым источником энергии для растений и — через растения — для жи­вотных является энергия Солнца.

Эти смутные догадки росли в числе и ут­верждались, пока во второй половине XIX в. не было доказано, что закон сохранения энер­гии так же строго приложим к живой приро­де, как и к неживой.